（材料加工工程专业论文）超窄间隙焊接焊剂带的制作工艺及焊接接头性能.pdf

硕+ 学位论文 摘要 利用焊剂带约束电弧可以很好地解决超窄间隙焊接中容易出现的问题，焊剂 带可有效约束电弧，阻止电弧攀升，同时使电弧对侧壁及坡口底部集中加热，使 其完全熔合。由于超窄间隙焊接方法坡口较窄，因此对焊剂带的厚度要求较高； 所以要使电弧能够受到很好的约束，焊剂带必须足够致密。本文针对原有焊剂带 致密度不足的问题，研制出新的焊剂带，并通过焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的 方法对工件进行焊接，最后对焊接接头进行组织与性能的分析。 首先在课题组前期实验基础上，开发出新的焊剂带制作方法，设计出新的焊 剂带制作模具。该模具主要具备以下特点：模具小巧轻便，便于拆卸存放； 利用硅胶带与模具基座上的梯度达到压紧金属丝网的目的；巧妙地借用发泡橡 胶的弹性变形能力，使两侧用于控制焊剂量的黑橡胶迅速恢复到原来的位置，保 证了焊剂带的厚度与致密度的一致。 利用满足要求的焊剂带以及专门开发的焊枪进行焊接，可获得稳定的焊接过 程和良好的焊缝成型。试验采用直径为q 1 6 m m 的h 0 8 m n 2 s i 焊丝，焊件分别为 1 4 5 m m 厚的x 6 0 管线钢板和6 m m 厚的4 3 0 不锈钢板，焊接接头需要单道多层焊 接来完成，焊前分析各种影响因素，得到每道焊的焊接工艺参数。两种钢材的焊 接线能量均很低，分别在o 6 k j m m 和0 4 5 k j m m 左右；其热影响区宽度分别在 1 0 m m 和0 6 5 m m 左右。 对两种钢的接头组织与性能进行研究分析发现，x 6 0 管线钢的热影响区组织晶 粒细小，粗晶区晶粒长大并不严重；焊缝硬度高于母材，软化区非常窄，大大降 低了对焊缝强度及韧性的不利因素，且与传统焊接方法焊接接头相比较，其硬度 值要高出6 5 左右。焊缝具有高于母材的拉伸强度，且低温冲击韧性良好。4 3 0 不锈钢粗晶区组织晶粒较为粗大，但由于其热影响区很窄，对整个接头的不良影 响并不是特别大。在拉伸时，所选用的试样均在母材处断裂，由此也可证明接头 的强度相对于母材并没有降低，反而有一定程度的提升。 关键词：超窄间隙焊接；焊剂带；焊剂带制作模具；接头组织与性能： 超窄间隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头性能 量曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼i i；m ；_ m m 1 一1 1 1 ii；ml ；l 皇曼鼍曼曼璺量曼皇曼曼曼曼曼曼皇! 皇曼 a b s t r a c t u s eo ff l u xs t r i p st oc o n s t r i c ta r cc a nw e l ls o l v et h ee a s i l yo c c u r r e dp r o b l e m so f u l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ，t h ef l u xs t r i p sc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i na r c ，p t e v e n tt h ea r c g o i n gu pa l o n gt h es i d e w a l l ，m a k et h ea r ch e a to nt h es i d ew a l la n dg r o o v eb o t t o m c e n t r a l i z e d ，a n dg e tt h ef u l lf u s i o n w i t har e l a t i v e l yn a r r o wg r o v ei nt h eu l t r a n a r r o w g a pw e l d i n g ，t h et h i c k n e s sr e q u i r e m e n t so ff l u xs t r i p si sh i g h a n dt h ef l u xs t r i p sm u s t b es u f f i c i e n t l yd e n s e a i m i n ga tt h ep r o b l e mo ff l u xs t r i pd e n s i t y , t h ep a p e rd e v e l o p e d n e wf l u xs t r i p s ，w e l d e dw o r k p i e c e sb yu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gw i t hc o n s t r a i n e da r c b yf l u xs t r i p s ，a n da n a l y s e do r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e djo i n t sa tl a s t f i r s t ，t h en e wp r o d u c t i o nm o l do ff l u xs t r i p si sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt o i m p r o v et h ep r o d u c t i o nm e t h o d ，b a s e do nt h ep r e - t e s t t h em o l dm a i n l yh a v et h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：t h em o l di ss m a l la n dp o r t a b l e ，s ot h a ti t sc o n v e n i e n tt o r e m o v ea n ds t o r a g e ；t op r e s st h ew i r em e s h ，t h es i l i c o n eb a n di su s e da n dg r a d i e n t s a r em a d eo nt h em o l db a s e ；( 要) u s i n ge l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yo ff o a mr u b b e r ，t h e b o t hs i d e so fb l a c kr u b b e ru s e dt oc o n t r o lt h ef l u xa m o u n tc a nq u i c k l yr e t u r nt o o r i g i n a lp o s i t i o n ，w h i c he n s u r et h ec o n s i s t e n c yo fs t r i p st h i c k n e s sa n dd e n s i t y t ow e l dw i t ht h ef l u x s t r i p sw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dt h es p e c i a l l y d e v e l o p e dt o r c h ，i tc a no b t a i nt h es t a b l ew e l d i n gp r o c e s sa n dg o o dw e l df o r m i n g t h e t e s tu s e sh 0 8 m n 2 s iw i r eo fd i a m e t e ro f1 6 m m ，a n dw e l d m e n t sa r e14 5 m mt h i c kx 6 0 p i p e l i n e s t e e lp l a t ea n d6 m mt h i c k4 3 0s t a i n l e s ss t e e lp l a t e w e l d e dj o i n t sn e e d m u l t i - l a y e ra n ds i n g l e p a s su l t r a - n a r r o wg a pw e l d i n ge x p e r i m e n t st oc o m p l e t e b e f o r e w e l d i n g ，v a r i o u sf a c t o r sm u s tb ea n a l y s i s e dt og e tt h ew e l d i n gp a r a m e t e r so fe v e r y p a s sw e l d i n g b o t ho ft w o k i n d ss t e e lh a v ev e r yl o we n e r g yi n p u t ，a n da r er e s p e c t i v e l y a b o u t0 6 k j m ma n d0 4 5 k j m m a n dt h ew i d t h so fh e a t a f f e c t e dz o n e sa r ea b o u t 1 0 r a ma n do 6 5 r a mr e s p e c t i v e l y t oa n a l y s i st h ew e l d e dj o i n t sm i c r o s t r u r ea n dp r o p e r t i e so ft w ok i n d so fs t e e l ，i t s f o u n dt h a th a zo fx 6 0p i p e l i n es t e e lh a sm i c r o s t r u c t u r eo ff i n eg r a i n s ，a n dt h eg r a i n s g r o 帆ho fc o a r s eg r a i nz o n ei sn o ts e r i o u s w e l dh a r d n e s si sh i g h e rt h a nt h a to ft h e b a s em e t a l ，a n dt h e s o f t e n i n gz o n e i sv e r yn a r r o w , w h i c hw i l lr e d u c eu n f a v o r a b l e f a c t o r so nt h ew e l ds t r e n g t ha n dt o u g h n e s s a n dt h eh a r d n e s si n c r e a s e s6 5 o rs o ， c o m p a r e dw i t ht h a to fa d o p t i n gs a w t h ew e l dh a sh i g h e rt e n s i l es t r e n g t ht h a nb a s e m e t a l ，a n de x c e l l e n tl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s t h eg r a i n so f4 30s t a i n l e s s u 硕+ 学位论文 皇曼曼曼量曼曼鼍曼皇曼皇量i 一一一i ：m = m = _ = _ = 。= i = 暑i m 曼 s t e e lc o a r s eg r a i nz o n ea r er e l a t i v e l yc o a r s e ，b u tb e c a u s eo fi t sv e r yl o wh a z ，t h e a d v e r s ee f f e c to fw h i c ho nt h ej o i n tw i l ln o tb et o om u c h a n dw h e ns t e c h i n g ，t h e s e l e c t e ds a m p l e sf r a c t u r e da l li nt h eb a s em e t a l t h i sa l s oc a nb ep r o v e dt h a tt h e s t r e g h t ho ft h ejo i n tw a sn o t r e d u c e dc o m p a r e d ew i t ht h a to fb a s em e t a l ，b u th a da c e r t a i nd e g r e eo fi m p r o v e k e yw o r d s ：u l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ；f l u xs t r i p s ；p r o d u c t i o nm o l do ff l u xs t r i p s ； m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e d j o i n t s i i i 超窄问隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头性能 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇皇i i i n p l i i i 蔓曼 插图索引 图1 1 贴敷式焊剂片结构4 图1 2 实验装置5 图1 3 连续送进式焊剂带结构6 图1 4 连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接实验装置6 图1 5 金属支架式预置焊剂片约束电弧原理7 图1 6 铁丝网内芯式预置焊剂带8 图1 7 铁丝网内芯式预置焊剂带约束电弧原理8 图1 8 焊剂带结构设计9 图1 9 实验装置9 图1 10 拱形滚压模具10 图2 1 焊剂带的制作模具1 4 图2 - 2 模具基座15 图2 3 加入不同量硅溶胶制作的焊剂带1 8 图2 4 焊剂带滚压1 9 图2 5 焊剂带样品2 0 图3 1 焊枪2 2 图3 2 坡口形状2 3 图3 3 焊接过程2 4 图3 4 烧损后的焊剂带2 4 图3 5 根焊焊缝剖面2 5 图3 6 填充焊焊道和焊缝剖面2 5 图3 7 盖面焊后焊道形貌2 6 图3 84 3 0 不锈钢焊缝形貌2 7 图4 1x 6 0 管线钢焊缝剖面2 8 图4 2x 6 0 管线钢母材显微组织2 9 图4 3 粗晶区显微组织3 0 图4 4 细晶区显微组织3 0 图4 5 焊缝区显微组织3 0 图4 6 硬度分布3 1 图4 7 拉伸试样3 2 图4 8x 6 0 管线钢焊接接头拉伸断口3 2 图4 9x 6 0 管线钢焊接接头拉伸试验载荷一位移曲线3 2 硕十学佗论文 图4 1 0 接头冲击功3 3 图4 1 14 3 0 不锈钢焊缝剖面3 4 图4 1 24 3 0 不锈钢母材显微组织3 4 图4 1 34 3 0 不锈钢热影响区显微组织3 5 图4 1 44 3 0 不锈钢拉伸试样断口图3 5 图4 1 54 3 0 不锈钢焊接接头拉伸试验载荷一位移曲线3 6 v 超窄间隙焊接焊剂带的制作丁艺及焊接接头性能 附表索引 表3 1x 6 0 管线钢焊接工艺参数2 6 表3 2 不锈钢焊接工艺参数2 7 表4 1 与埋弧焊接头冲击功比较3 3 表4 24 3 0 不锈钢焊接接头拉伸试验结果3 5 v i 硕十学位论文 曼曼曼! 曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼皇曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅! 曼曼皇曼曼皇i i 一 mmm 皇 第1 章绪论 1 1 超窄间隙焊接的研究意义 随着现代工业的发展，焊接结构逐渐趋于大型化，厚钢板用量逐渐增多。而 在生产过程中既要保证焊接质量，又要降低成本，同时还要保证较高的效率；传 统的焊接方法不仅开坡口困难、焊接速度慢，而且焊后变形大，已无法满足要求； 一些新的高效的焊接方法则逐渐应用于生产中。 1 1 1 窄间隙焊接的分类及特征 窄间隙焊接方法由于可以大幅度地减少坡口面积，在较低焊接线能量下，实 现高效焊接，而被广泛应用于各种大型重要结构。早在1 9 6 3 1 1 1 ，美国b a t t l e 研究所 就已经开发出窄间隙焊接方法，并于“铁时代 杂志上发表。此后，对这种先进的焊接 方法，各国开展了大量的实验研究。 根据相关资料，窄间隙焊接方法有如下几种：窄间隙熔化极气体保护焊，窄间隙埋 弧焊，窄间隙电渣焊，窄间隙手工电弧焊，窄间隙激光焊，窄间隙t i g 焊等。 窄间隙焊接作为一种高效焊接技术，具有以下特征【1 】： ( 1 ) 多采用i 形坡口，间隙窄，坡口截面积小，所需填充材料少； ( 2 ) 多层焊接，后层焊道对前层焊道起到焊后热处理作用； ( 3 ) 热输入小，采用小或中等的焊接线能量，残余应力较小，焊件变形小； ( 4 ) 热影响区较窄，接头力学性能良好。 窄间隙焊接技术自从被开发以来，经过近半个世纪的研究和发展，人们对其焊接方 法和材料进行了大量的开发工作，目前已被各国广泛应用于压力容器、锅炉、大型机械、 建筑、海洋结构、造船、压力水管等领域。 1 1 2 超窄间隙焊接的特征 超窄间隙焊接( u i t r a n a r r o wg a pw e l d i n g ) 是对常规窄间隙焊接的继承和发展，所 用间隙宽度更小。由相关文献1 2 。5 】总结可知，超窄间隙焊接具有如下特征： ( 1 ) 采用熔化极电弧焊接方法而且电弧无须摆动； ( 2 ) 采用“i 形坡口，间隙宽度一般不超过6 m m ； ( 3 ) 多层单道焊接； ( 4 ) 自下而上的焊接； ( 5 ) 采用比常规窄间隙焊接更小的线能量，最小可达0 5 k j m m ； ( 6 ) 有实现全位置焊接的可能性。 超窄间隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头性能 与传统焊接方法相比，超窄问隙焊接有很大的优越性，主要表现在以下几方 面： 1 焊接接头性能优异 超窄间隙焊接继承了窄间隙焊接的某些特性，例如与传统焊接方法相比，它 更容易得到力学性能良好的焊接接头。超窄间隙焊接采用低热输入，在焊接厚板 时，板的冷却速度也会较快，从而热影响区的宽度很窄，母材原始晶粒的粗晶脆 化倾向和塑性损伤小。此外，超窄间隙采用多层焊接，焊层较薄，前一层焊缝受 后一层焊缝的热处理作用就会更彻底，使焊缝金属的晶粒更为细小，进而提高了 窄间隙焊接接头的力学性能【6 引。 厚板焊接的变形主要有横向收缩变形和角变形。超窄间隙焊接采用i 形坡口， 焊接接头填充面积较小，故焊缝金属的熔敷量较少，同时，在板厚方向焊缝金属 较均匀，因此接头的横向收缩量就会较小；从而，焊接结构的残余应力和残余变 形将会大幅度减少。 2 生产成本低、效率高 超窄间隙焊接采用i 形坡口，制作简单，填充面积小，所需的填充材料少，大 大降低了焊接材料成本和人工费用。同时，由于坡口填充面积小，热输入低，尽 管其熔敷速度不一定高于传统焊接方法，生产率也得到了大幅度提高。 3 适用于热输入敏感材料的焊接 上世纪末，世界各国陆续启动了旨在大幅度提高刚才强韧性和使用寿命的大 型科研项目，超细晶粒钢作为一种超级钢被列入重点研究对象。利用生产工艺技 术是获得超细晶粒的主要手段，是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定 因素，因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的 强度。所以，焊接超细晶粒钢时，必须全面考虑。其中，由于其晶粒非常细 小，较大热输入将会促进晶粒长大，导致热影响区严重脆化。目前可采用的 通过降低热输入来解决这一问题的方法主要有：超窄间隙焊、脉冲m a g 焊和 激光焊等。相比于后两者，超窄间隙焊接在较低成本下，就可以实现低热输入焊 接。 1 1 3 超窄间隙焊接存在的问题 超窄间隙焊接是一种经济的、能够得到优良机械性能且变形小的优质焊接接头的焊 接方法；但由于坡口间隙的进一步减小，焊接过程中出现了一些与传统焊接方法不同的 新问题。超窄间隙焊接存在的主要问题【9 。1 l j ： 1 电弧沿侧壁攀升 超窄间隙焊接主要是为了能在电弧不摆动的情况下，通过减小坡口间隙使两侧壁都 位于电弧的高温加热区域，保证两侧壁的熔合。但是，当i 形坡口的间隙减小到一定程 度时，焊丝熔化端头到熔池的距离大于焊丝熔化端头到侧壁的距离，电弧无法通过自调 节作用维持自身稳定性，会沿侧壁攀升出来，导致焊接过程无法进行。这种不稳定的电 弧现象叫做“电弧攀升 9 , 1 0 】。 2 硕十学位论文 皇詈曼曼曼曼皇曼量曼曼鼍i i i i = 皇 2 焊缝成形过程中，侧壁根部熔合不良 在超窄间隙焊接过程中，由于电弧的攀升，电弧高温加热区上移：当坡口间隙减小 到6 m m 以下时，电弧斑点极易攀爬上侧壁，反而会使侧壁根部不能被加热，导致两侧 壁根部熔合不良l l 。 除此之外，超窄间隙焊接与窄间隙焊接一样，还存在其它有待改进的地方；如焊接 修补困难，焊前需要调整焊丝对准位置，装配时间长等。 1 1 4 超窄间隙焊接研究现状 电弧攀升是超窄间隙焊接中首要解决的问题。目前已开发了多种防止电弧攀升的超 窄间隙焊接方法。 2 0 世纪末，日本的中村照美等人利用脉冲电流、电压，通过使焊丝端头在间隙上下 移动的方法 2 j ，使电弧有效加热坡e l 两侧壁，同时防止电弧攀升。但此方法并不能保证 间隙底部与侧壁之间完全熔合。 2 0 0 2 年，张富巨等人公开了一种超窄间隙g m a 自动弧焊方法【4 】。该方法使用特定 的焊枪，采用单丝居中无电弧侧偏的工艺，利用超低飞溅率脉冲控制脉冲逆变电源，使 电流、电压的波形输出与熔滴空间状态接近完全对应，并对b h w 3 5 低合金热强钢板和 9 8 0 钢厚钢板进行了焊接实验，基本解决了超窄间隙焊接中电弧攀升的问题，并能得到 质量较高的焊接接头。 本课题组则从“电弧约束 这方面进行研究开发，考虑在超窄间隙焊接过程中如何 把电弧约束在坡口两侧壁之间及其根部，使侧壁及间隙底部完全熔合。 1 2 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法的发展与研究 根据电弧的最小电压原理，在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自 动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有较小的数值，即在固定弧长上的电压 最小。根据这个原理，在电流和周围条件一定时，电弧的断面大了，电弧与周围介质的 接触面将增大，电弧向周围介质散失的热量要增加，必须增加电场强度，以产生更多的 热量才能与其相平衡。在这种情况下，电弧会自动缩小其断面面积，以减小能量消耗； 若断面小了，电弧的电流密度增加，即在较小的断面里通过相同数量的带电粒子，使电 阻率增加，若维持相同的电流就必须增加电场强度。在这种情况下，电弧会自动增大其 断面，以减少能量消耗。利用这个原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如，当从外 部向电弧吹入气体时，会发现电弧会自动地缩小其断面面积。 同样当将电弧置于器壁之间时，若电弧自然燃烧状态下的弧柱截面比器壁间的距离 大，为减小能量消耗，电弧的断面面积将会自动减小。此外，器壁与弧柱接触，器壁将 会吸收一部分的电弧热：同时器壁表面为电子和阳离子的结合提供了有利条件，二者的 结合也需要吸收热量，这都会促使电弧截面收缩，电流密度增加。其实，固壁约束电弧 在一些焊接方法中都有不同程度的体现。比如，药皮焊条焊接时，电弧周围有时会形成 超窄间隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头性能 一个药皮套筒，电弧的上半部分就会受到套筒的固壁约束作用，使电弧更加集中，电弧 吹力增大，有利于改善熔滴的过渡。再比如，埋弧焊时，电弧在焊剂层下燃烧，也会受 到焊剂层的固壁约束作用，在较大电流下焊接时电弧也会有较高的稳定性。结合超窄间 隙焊接的特点，本课题采用焊剂带约束电弧的方法以实现超窄间隙焊接。 利用焊剂带约束电弧的方法，是将涂覆有绝缘作用焊剂的焊剂带或焊剂片贴 敷在坡口两侧壁或者由机构送入坡口间隙，从而被焊剂带覆盖的侧壁与电极之间 绝缘。焊接过程中，电弧在焊缝底部与焊剂带端头被熔化部分之间燃烧；当焊剂 带熔化后电弧才能加热并熔化侧壁。这样，电弧就被约束在两侧壁与间隙底部之 间，而未熔化的焊剂带将防止电弧沿侧壁向上攀升，有效控制了电弧的加热区域， 保证了间隙侧壁和根部之间的熔合良好。这种焊接技术可使电弧热集中在间隙侧 壁尤其是间隙根部，而且电弧受约束程度可调，同时在焊接过程中固壁约束效果 明显，对解决超窄间隙根部熔合不良的问题具有独特的优势【2 , 4 , 1 2 】。目前，本课题 组开发出焊剂带约束电弧的方法，以及基本满足要求的焊剂带的制作工艺。实验发现， 焊剂带在焊接过程中起着至关重要的作用，所以其制备工艺不容忽视。本课题组经过不 断地改进创新，已经开发出多种焊剂带，同时研制出与之对应的适合超窄间隙焊接的焊 枪及相关装置，并进行了相关的工艺试验。 1 2 1 贴敷式焊剂片 如文献 2 ，1 3 所述，这种焊剂片是将研磨成絮状的焊剂压涂在铁丝网上，使 焊剂牢固地填充铁丝网格。然后将焊剂片分别粘在坡口两侧壁，再把粘有焊剂片 的焊件放入炉内加热，加热温度为2 0 0 3 0 0 ，以清除焊剂片内残余水分，并加快 粘结剂的固化速度。如下图1 1 所示为焊剂片的结构示意图。 图1 1 贴敷式焊剂片结构1 1 3 1 图1 2 所示为实验装置简图。焊前，现实焊枪居于坡口中间，保证导电嘴沿着 间隙的中线运动。焊接过程中，焊丝通过校直机构被送丝轮送入导电嘴。导电嘴 由两块连在弹簧上的铜片构成；焊丝被送入后，即被导电铜片上的凹槽夹紧并送 入间隙中。使用该焊接装置，可以在不借助外力的情况下将非常直的焊丝送入不 同宽度的间隙中，且能保证电流传输稳定。 4 硕+ 学位论文 图1 2 实验装置1 1 3 j 利用此方法焊接基本解决了电弧攀升的问题，得到的焊缝表面光滑，无宏观 缺陷，硬度高，没有宽大的粗晶区，并且热影响区较窄，接头力学性能良好；基 本满足生产要求。 但在使用过程中，贴敷式焊剂片约束电弧超窄间隙焊接方法仍存在一些问题。 例如，在烘干焊剂片时，需要将焊剂片粘在焊件坡口两侧壁后，连同焊件一起放 进烘干炉内加热烘烤，这就要求炉子的体积足够大，同时对焊件的尺寸有了很大 程度的限制：另一方面，由于坡口间隙较窄，这就在无形中使焊剂片的贴敷变得 困难。此外，该方法在清理焊渣时极易使焊剂片从侧壁剥离；而超窄间隙焊接采 用多层单道焊，要求每焊完一道就要清理一次焊渣；若在清理焊渣时，将焊剂片 从侧壁上剥离开来，无疑会影响后续焊接的正常进行，因而限制了该方法应用于 实际生产。最后，该方法中焊剂的量不易控制且易造成央渣等缺陷。实践证明， 焊剂片越厚，对电弧的约束效果越好，但是在焊接时产生的熔渣量也就较多；另 一方面，由于两侧壁之间间隙很窄，熔渣较为集中。进行焊接时，容易导致熔渣 随熔池向前流动，从而使电弧在前流的熔渣表面上燃烧，以至于电弧不能有效加 热熔渣覆盖的间隙底部而形成夹渣以及熔合不良。 由此可知，此种焊剂带约束电弧的方式应用于生产仍存在很多问题，故需要 研究开发出新的可用于实际生产的焊剂带。 1 2 2 连续送进的焊剂带 根据文献 1 3 1 6 ，连续送进式焊剂带的结构如图1 3 所示，中间是一条两面涂 有焊剂的钢带，钢带的厚度为0 1 m m ，宽6 m m 。焊剂的主要成分是大理石、萤石、 钛白粉和纯碱，其中大理石主要用于造气、造渣、稳弧，萤石的主要作用是脱氢， 钛白粉可以稳弧及改善脱渣性，而纯碱的作用主要是稳弧。为了使焊剂牢固地粘 在钢带表面，需要对刚带进行表面处理；首先用电解的方法除去钢带表面的油污， 超窄间隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头性能 然后选择具有合适大小沙粒的磨轮对钢带进行打磨。将配置好的焊剂与硅溶胶搅 拌均匀后涂覆在钢带表面。焊剂带的厚度通过改变硅溶胶的浓度和涂覆次数来孔 子。涂覆完成后，将焊剂带在特定环境下晾干：然后放入炉内烘干，使其完全失 去固定水，增加凝胶强度。烘干后，卷起，存放于通风干燥处。 a - - a 图1 3 连续送进式焊剂带结构【1 5 】 焊接时，焊剂带从焊枪的倒带槽上端入口穿入，经过送带轮和夹紧装置，被 连续送入间隙内的电弧两侧，焊剂带紧贴坡口的两侧壁。由于焊剂带绝缘性能良 好，可将电弧与侧壁隔离，防止电弧攀升。电弧被约束在焊剂带熔化端头与间隙 底部之间，能量集中，使间隙侧壁和底部得到充分加热。在焊接过程中，必须要 确保导电嘴始终在合适的位置，使焊丝居中，防止焊丝发生偏移，或导电嘴与侧 壁接触。 氆售 图1 4 连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接实验装置1 1 5 1 连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法存在的不足之处主要有：( 1 ) 由 于焊剂带是在焊接过程中被连续送入坡口，而焊剂带的刚度不足，无法保证焊剂 带在电弧两侧，紧贴侧壁，导致电弧极不稳定甚至出现电弧攀升，使焊接过程中 断；( 2 ) 焊剂带的制备工艺较为复杂，且在焊接过程中焊剂带及易受外界干扰，为 焊剂带的准确送进增加了操作难度，比如粘附在侧壁两侧的飞溅颗粒不仅会阻碍 焊剂带前进的速度，也会影响到焊剂带被送入的位置。 6 硕十学位论文 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅_ l 皇曼曼曼曼皇曼 1 2 3 金属支架式预置焊剂片 为了解决连续送入式焊剂带工艺可靠性不高，对电弧约束程度不能精确控制 等缺点，课题组又研究开发出一种新的焊剂带送入方式。如文献 1 4 1 7 】所述，该 方法预先将焊剂片沿间隙长度方向排布防置在坡口中，并利用特制的金属支架将 焊剂片固定。通过调节金属支架，可以改变焊剂片下边缘与间隙底部的距离及焊 剂片的预置高度，未被焊剂带覆盖的侧壁金属的范围也会因此而得到调节，从而 调节焊剂片对电弧的约束程度，如图1 5 。 图1 5 金属支架式预置焊剂片约束电弧原理l i 卅 超窄间隙焊接的坡口，间隙本身就很小，而此方法还要在窄小的破口中置入 金属支架；这样能够让焊丝顺利通过的通道就会很小，原来使用的导气管因不能 通过间隙而不能再使用，从而对电弧和熔池金属的气体保护就需要通过加大焊剂 产气量来实现。如此，焊剂片所涂覆的焊剂厚度就必须增加，而涂料层越厚，干 燥时的收缩就越大，很容易发生干裂，甚至脱落；这就要求焊剂和钢带之间有更 高的结合强度。该实验采用无机胶中分散无机焊剂的方法制作涂料，提高了钢带 与涂料的结合强度。 焊接前，将几个金属支架分散放入间隙，使焊剂片夹在支架与侧壁之间。另 外金属支架的些必要部位须做绝缘处理。 该方法提高了涂层与钢带间的粘接质量，能够较为准确地控制焊剂片的位置 及其对电弧的约束程度；但仍存在一定的问题。首先金属支架对焊剂带的夹紧力 不够大，这就导致焊接过程中，未燃烧的焊剂带在电弧力和其他外力的作用下偏 离原来的位置，致使焊接电弧不稳定，以及对电弧的约束程度的控制不精确；其 次，钢带的处理太过复杂，且对装置的要求较高，操作不够灵活简便。 1 2 4 铁丝网内芯式预置焊剂带 由于上述焊剂片的不足之处，文献 1 4 - 1 8 对预置式焊剂带的定位方式进行了 7 超窄问隙焊接焊剂带的制作r 艺及焊接接头性能 进一步探讨。预置式焊剂带需满足的基本要求是：需要稳定有效地约束电弧，且 焊剂带定位必须精确。据此，课题组开发出了铁丝网预置内芯式焊剂带。 如图1 5 所示铁丝网预置内芯式焊剂带以铁丝网作为骨架，将涂有焊剂的玻璃 丝网利用硅溶胶粘在铁丝网两侧。其制作工艺如下：首先对玻璃丝网进行热处理 和酸碱刻蚀处理，其中热处理的作用是除去玻璃纤维表面具有抗摩擦作用的胶料， 而酸碱刻蚀处理则是通过酸碱在玻璃纤维表面进行化学反应形成一些凹陷或微 孔，以此增加玻璃纤维与焊剂的结合强度：将配置好的焊剂均匀涂抹在处理过的 玻璃丝网上，并加以挤压、干燥、裁剪后待用。然后将铁丝网进行退火处理以便 于弯折，最后将两片预先准备好的涂有焊剂的玻璃丝网粘在铁丝网两侧。两平行 焊剂片之间的距离与坡口间隙的宽度决定了焊剂带对电弧的约束程度，改变其中 一个值就可以改变电弧的约束程度。 图1 6 铁丝网内芯式预置焊剂带【1 5 1 焊接时先将干燥好的焊剂带折成u 形，如上图，再放入坡口底部；焊丝通过 导电嘴被送入坡口，形成电弧，是焊剂带熔化；同时焊剂带对电弧产生一定的约 束作用。 图1 7 铁丝网内芯式预置焊剂带约束电弧原型1 5 】 实验证明，铁丝网内芯式预置焊剂片可有效地约束电弧，能够精确控制约束 程度和作用范围，焊接过程稳定，并可获得成型好，无任何宏观缺陷的焊缝。但 8 硕十学f ) ! 论文 是其制备过程复杂，步骤繁多，需要考虑的因素较多，不适合大批生产；且焊剂 带使用了玻璃丝网，引入了较多的s i 0 2 ，为焊接材料的匹配带来了不确定因素。 1 2 5 金属丝网预置焊剂带 如文献 1 6 所述，该方法需要先剪裁一规则形状的金属丝网，然后将焊剂直 接压涂在金属丝网两侧，中间空余，其结构如图1 8 所示。 金属丝网 图1 8 焊剂带结构设计【1 6 】 焊接时，将焊剂带折成u 形放入坡口，使涂有焊剂的部分紧贴坡口侧壁，u 形 底部未涂抹焊剂的部分则紧贴间隙底部，通过调节u 形底部与焊剂下边缘之间的 高度，即可达到调节电弧约束程度的目的，其实验装置如图1 9 所示。 焊丝 导电 焊捐 电弧 图1 9 实验装置1 1 6 1 焊剂带的具体制作步骤如下： ( 1 ) 金属丝网的处理。首先将铁丝网按合适的尺寸剪裁好，经过校直后，利 用配置好的胶液对金属丝网进行绝缘处理，并晾干。 ( 2 ) 将配好的焊剂与硅溶胶搅拌均匀后涂覆在金属丝网上，并保证厚度均匀 一致。 ( 3 ) 将涂有焊剂的金属丝网放在特制的滚压模具上滚压，以确保焊剂的紧实 致密以及与金属丝网的结合强度。 ( 4 ) 将压好的焊剂带放进烘箱中，加热至一定温度，并保温一段时间，以确 保焊剂带中的水分被完全去除，同时还要避免焊剂再过高温度下发生化学反应而 变质。此外，烘干的过程相当于对焊剂进行一次烧结处理，使焊剂更致密及与金 9 超窄间隙焊接焊剂带的制作工艺及焊接接头性能 属丝网的结合更紧密。 ( 5 ) 将焊剂带折成u 形。 该焊剂带制备方法关键在于滚压模具的研制。经过设计比较几种滚压模具的 优点及存在的问题，最终选用了拱形滚压模具，其结构简图如下所示。 ，i j 图1 1 0 拱形滚压模具1 1 6 1 其中，钢条和橡胶设计成拱形的目的主要是固定金属丝网；滚压时，焊剂带 放于钢带之下，转动拉紧器的蜗杆轴使钢带被拉紧。钢带、金属丝网、钢条在铅 直方向的分力的作用下，摩擦增大，三者间相对滑动则变得困难，从而使金属丝 网得到紧固。同时该方法还利用钢带的刚性，以其为基准面涂抹、滚压焊剂，基 本做到焊剂带的厚度保持一致，解决了如何较精确控制焊剂带厚度的问题。 该焊剂带制备方法工艺简单易掌握，并且能够较为准确地调节焊剂带的厚度， 较前几种焊剂带有了很大的进步，关于焊剂带的一些问题都得到了基本的解决。 但是在滚压时，由于模具尺寸及受力程度所限，所使用的滚压工具不能太重，这 样焊剂带所受的力不够大，致密度就不够；实验已证明，同一种方法做出的焊剂 带越厚，对电弧的约束能力越好，这也就说明了焊剂的量影响了焊剂带对电弧的 约束程度；所以在某些情况下，当焊剂带不够致密时，要达到更好地约束电弧的 目的，就只能增加焊剂带的厚度，这无疑就限制了超窄间隙焊接时坡口的尺寸， 阻碍了焊剂带约束电弧超窄间隙焊接向更小的间隙发展。同时在滚压过程中，需 要用人力来操控滚子前进，这就要求人在竖直方向完全不施力，这对于操作者来 说难度较高。 综合几种焊剂带的特点，还需要进一步改进，完善焊剂带的不足之处，使其 对电弧的约束加强，更适用于超窄间隙焊接。 1 3 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法的特点 实践证明，焊剂带约束电弧的方法适用于超窄间隙焊接，并且有很大的发展空间； 作为超窄间隙焊接的一种，它具有自身的特点。综合文献 1 2 2 7 所述，可得出以下结论。 l o 硕十学位论文 1 3 1 焊剂带对电弧约束的影响 首先，焊剂带的预置高度直接控制着电弧的约束程度。由于焊剂带主要是靠其上涂 覆的绝缘性焊剂对电弧起到固壁约束的作用，因此当焊剂带的裸露高度较大时，电弧就 会较长，电弧的作用范围半径大，扩张至坡口侧壁，电流密度比较小，电弧加热不够集 中；若裸露高度大至一定程度可能会导致间隙底部熔合不良，起不到约束电弧的目的。 随着焊剂带预置高度逐渐减小，弧长逐渐缩短，电弧的作用范围逐渐由侧壁过渡到间隙 底部，其熔滴过渡类型也随之而改变。要使侧壁和间隙底部均得到良好的加热效果，需 要选择合适的焊剂带预置高度。 其次，焊剂带的厚度影响电弧的约束程度及焊缝的质量。同一种情况下的焊剂带越 厚，越不易烧损，电弧前端所接触到的焊剂带面积越大，这就使得焊剂带对电弧的固壁 约束能力越强，焊接过程中电弧燃烧越稳定。电弧在焊剂带固壁约束的作用下，集中对 侧壁的根部及间隙底部加热，使得侧壁的熔化高度显著降低，而间隙底部的熔化宽度却 增大；同时母材的熔化量增加，使侧壁根部更容易完全熔合，获得良好的焊缝形态。 1 3 2 焊接电压的影响 在焊接过程中，焊接电压是一个重要的工艺参数。当其他条件不变时，随着电压的 增加，弧长增大，电弧的作用范围增大，电弧加热的区域由一开始只在坡口底部逐渐扩 张至侧壁。电弧对焊剂带的加热区域也逐渐增大，焊剂带熔化量增多。由于焊剂带的熔 化是一个吸收热量的过程，电弧受到冷却作用而收缩，加强了电弧约束，使电弧较为集 中。在一定的电压范围内，电弧的加热区域被控制在侧壁和坡口底部；同时，电压的增 大也使电弧热增加，所以母材和侧壁及坡口底部的熔化量都在一定程度上有所增加。因 此，使用较大的焊接电压，也可得到形态良好的焊缝。 1 4 本文研究内容 超窄间隙焊接能源消耗小，生产效率高，并且能得到优质的焊接接头，对超细晶粒 钢的焊接有很大的适用性，引起焊接界的兴趣，并逐渐被认可。 在焊剂带约束电弧的方法中，焊剂带的制备工艺至关重要，要求设计出的焊剂带不 仅能够满足超窄间隙焊接要求，同时还要保证焊接接头的安全性。课题组前期研究表明， 该方法基本可以解决上述超窄间隙焊接中易出现的一系列问题，且焊剂带的质量对电弧 的约束有很大的影响。但是前期开发的焊剂带由于致密度不够，对电弧的约束程度并不 能达到理想状态：当对电弧的约束程度要求较高时，只能通过增加焊剂带的厚度来实现， 这无疑会使坡口中焊丝通过的空间尺寸减小，增大了焊枪的设计难度，同时也加大了焊 前的准备工作量，为实验带来不便。 本课题针对原有方法制备的焊剂带不够致密等问题研制出新的焊剂带，并对x 6 0 钢 及4 3 0 不锈钢的材质特点及焊接性进行了深入了解，研究这两种钢材利用焊剂带约束电 超帘间隙焊接焊剂带的制作t 艺及焊接接头件能 弧超窄间隙焊接方法得到的焊接接头的组织、性能，本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 设计新的焊剂带制作模具，研究分析相关因素对其影响，制备实验所用的焊剂 带。 ( 2 ) 调节焊接工艺参数，进行焊接工艺试验，并确定合理的工艺参数。 ( 3 ) 制备相关试样，对焊接接头进行焊后力学性能测试，并观察焊缝、热影响区等 显微组织，进行焊后工艺评定。 1 2 硕十学位论文 曼曼曼曼曼皇皇曼曼舅曼皇曼曼i i i ii il i i l ：i ,i 二i f 皇 第2 章焊剂带的制备 2 1 引言 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法中，焊剂带的制作是最为关键的。它不仅要能够 满足焊接生产要求，解决超窄间隙焊接中容易出现的问题，还要制作简单、储存方便、 适于批量生产；所以在研制过程中，必须要精益求精。目前设计开发的焊剂带存在的 主要问题是焊剂的致密度不够，对电弧的约束程度还没有达到理想的状态；当要求对电 弧约束较好时，需要的焊剂带厚度比较大，如此一来，焊丝能够通过的间隙就会变得相 对更窄，对焊枪、坡口尺寸等要求就更高，为实验进行带来一定程度上的不便。因此需 要设计出一种新的焊剂带制作方法，通过增加焊剂带滚压时所受的力来提高焊剂带的致 密度。 2 2 焊剂带制作模具的设计 2 2 1 设计思路 要通过增加焊剂带滚压时所受的力来提高焊剂的致密度，首先不能单纯依靠人力， 这是因为人力不能保证用力均匀，焊剂带的薄厚程度也就不一致，并且人力不能达到足 够大，所以焊剂带的滚压可以用揉面压皮机来完成。但是由于揉面机两个滚子之间的力 非常大，涂覆好的焊剂带并不能直接在机器上滚压，否则就会将金属丝网上涂覆的焊剂 挤压出来，而不能粘在金属丝网上。